Esta entrada de blog explora cómo los principios científicos detrás de la Singularidad —un punto crucial en el avance tecnológico— y los fluidos supercríticos impactan nuestra vida diaria y nuestras industrias.
«¡Se acerca la Singularidad!» Esta frase resonó en internet tras el sorprendente encuentro de Go entre AlphaGo de Google y Lee Sedol, un profesional de 9 dan. El término cobró popularidad al convertirse en el título de un libro de Ray Kurzweil, director de ingeniería de Google, quien describe la Singularidad como el punto en el que la tecnología creada por el ser humano supera las capacidades humanas. En otras palabras, el autor argumenta que la Singularidad es el punto donde la tecnología y las capacidades humanas se igualan, y que más allá de esta singularidad ocurrirán eventos imprevistos. Estos eventos imprevistos se refieren a un futuro donde la inteligencia artificial supera las expectativas humanas, aprendiendo y evolucionando de forma independiente, capaz de pensar y tomar decisiones como los humanos.
Sin embargo, el término singularidad es un concepto más amplio, frecuentemente utilizado en matemáticas y ciencias, que se refiere al punto en el que elementos en competencia alcanzan el equilibrio, más allá del simple equilibrio entre tecnología y seres humanos. Por ejemplo, en matemáticas, las características de una ecuación pueden determinarse mediante la relación entre dos variables. Cuando las magnitudes de estos dos factores alcanzan un equilibrio extremadamente delicado, se produce una situación en la que las características de la ecuación se vuelven indefinibles. Este punto se denomina singularidad de la ecuación. Comprender el término singularidad desde esta perspectiva más amplia de punto de equilibrio revela que toda sustancia a nuestro alrededor tiene su propia singularidad: un punto llamado punto crítico, donde las características del líquido y del gas se encuentran en equilibrio. Y una vez superado este punto crítico, exhibe propiedades útiles que jamás imaginamos.
Toda la materia puede existir en tres estados. Consideremos el agua. A bajas temperaturas, existe como hielo, en estado sólido. Al aumentar la temperatura, se derrite y se convierte en agua líquida; al aumentar aún más la temperatura, hierve y se transforma en vapor, en estado gaseoso. Así, los tres estados de la materia —sólido, líquido y gaseoso— cambian según la temperatura. Además, el estado de la materia cambia no solo con la temperatura, sino también con la presión. Un aerosol contiene líquido a muy alta presión, pero al rociarlo, se expulsa al aire como un gas invisible. Por lo tanto, el estado de una sustancia (sólido, líquido o gaseoso) está determinado tanto por la temperatura como por la presión. Si bien este es un fenómeno común a nuestro alrededor, se vuelve aún más fascinante al examinarlo científicamente: cada estado solo puede mantenerse a temperaturas y presiones específicas. Observamos fácilmente cómo el agua en su estado sólido se derrite y luego se vaporiza en la vida cotidiana, pero detrás de esto se encuentra la compleja interacción entre las moléculas.
¿Cómo modifican la temperatura y la presión un estado? Primero, comprendamos qué significan la temperatura y la presión. La temperatura indica la velocidad a la que se mueven las moléculas, las diminutas partículas que componen la materia. Es decir, a bajas temperaturas, las moléculas se mueven lentamente, y a altas temperaturas, se mueven rápidamente. Por otro lado, la presión indica la distancia entre las moléculas. Una presión alta implica que la sustancia se comprime, reduciendo la distancia entre las moléculas, mientras que una presión baja la aumenta. Sin embargo, regular la distancia entre las moléculas mediante la presión produce un efecto adicional. Las moléculas poseen una tendencia inherente a atraerse entre sí, ya que la fuerza de esta atracción aumenta cuando las moléculas están más cerca unas de otras. Por lo tanto, una mayor presión acerca las moléculas, intensificando su atracción mutua y su tendencia a agruparse. Por el contrario, una menor presión debilita la fuerza que atrae a las moléculas entre sí.
Volvamos al agua. A bajas temperaturas, las moléculas que la componen se mueven lentamente. Estas moléculas, al moverse lentamente, no pueden superar la atracción mutua y escapar, lo que provoca que se agrupen. Esto da como resultado un estado sólido donde están completamente inmovilizadas: el hielo. Cuando la temperatura del hielo aumenta, permitiendo que las moléculas se muevan con mayor rapidez, permanecen agrupadas en grandes grupos, pero pueden superar parcialmente la atracción mutua, lo que permite cierto movimiento molecular. Este es el estado líquido del agua. Si la temperatura aumenta aún más, las moléculas se mueven tan rápidamente que las fuerzas de atracción ya no pueden mantenerlas unidas. Se liberan y se mueven aleatoriamente, formando el estado gaseoso: vapor de agua. En resumen, el estado de una sustancia está determinado por la fuerza que prevalece en la competencia entre la fuerza de atracción entre las moléculas y la velocidad de estas. La fuerza de atracción aumenta con la presión, y la velocidad de las moléculas aumenta con la temperatura. Por lo tanto, el estado de una sustancia cambia dependiendo de la temperatura y la presión.
Ahora, intentemos convertir el vapor de agua de nuevo en líquido sin bajar la temperatura. Al aumentar la presión, las moléculas de agua se acercan entre sí, lo que también incrementa la fuerza de atracción entre ellas. Si la presión aumenta lo suficiente, la atracción mutua se vuelve lo suficientemente fuerte como para retener incluso las moléculas que escapan rápidamente, provocando que la sustancia vuelva a su estado líquido. Pero ¿aumentar la presión siempre convierte un gas en líquido?
Para responder directamente: no. El aumento de la presión reduce la distancia entre las moléculas y fortalece su atracción mutua. Sin embargo, existe un límite definido para la intensidad que puede alcanzar esta atracción. Esto se debe a que, una vez que las moléculas se comprimen hasta tocarse por completo, sin dejar espacios, no pueden acercarse más. En cambio, la temperatura puede elevarse indefinidamente hasta que surjan problemas en las propias moléculas o estas se descompongan. Por lo tanto, una vez superada una temperatura específica, cesa la competencia entre presión y temperatura. Por mucho que se aumente la presión, no se puede crear una atracción molecular lo suficientemente fuerte como para retener las moléculas que se mueven rápidamente, por lo que el gas no se convierte en líquido. Este punto de equilibrio final, justo antes de que cese la competencia entre temperatura y presión, se denomina punto crítico. También puede considerarse como una singularidad de la sustancia.
Sin embargo, el hecho de que una sustancia no pueda convertirse en líquido por encima de la temperatura y presión del punto crítico no significa que exista como gas más allá de ese punto. Más allá del punto crítico, si bien no tiene la consistencia suficiente para formar un líquido, la distancia entre las moléculas se reduce considerablemente, provocando que se atraigan entre sí con fuerzas intensas. Por lo tanto, aunque las moléculas no se agrupan como en un líquido, no pueden moverse con total libertad como en un gas. Una sustancia que ha superado el punto crítico y no es ni líquida ni gaseosa se denomina fluido supercrítico.
Los fluidos supercríticos presentan propiedades poco comunes en líquidos o gases ordinarios, en particular una viscosidad extremadamente baja y una alta solubilidad para otras sustancias. La baja viscosidad implica un alto poder de penetración. Esto se puede comprender fácilmente recordando que, al verter agua sobre la arena, esta penetra en todos los recovecos entre los granos y fluye hacia abajo, mientras que la miel, que tiene una viscosidad mayor que la del agua, apenas fluye y solo se filtra ligeramente en la arena.
En resumen, el uso de un fluido supercrítico como solvente de extracción permite que penetre en todas partes, disolviendo el material objetivo. Al prensar semillas de sésamo para extraer aceite, un antioxidante llamado lignina no se disuelve. Sin embargo, el uso de fluidos supercríticos para la extracción puede aumentar su rendimiento más de 10 000 veces. El aceite de sésamo extraído de esta manera se comercializa. Además, los fluidos supercríticos se utilizan en el proceso de descafeinización del café para eliminar selectivamente solo la cafeína. Asimismo, numerosas compañías farmacéuticas investigan el uso de fluidos supercríticos para extraer principios activos de sustancias como las hierbas. Los fluidos supercríticos también se emplean activamente como medio para producir nanopartículas o inducir reacciones químicas altamente especializadas. Por lo tanto, los fluidos supercríticos se han consolidado como un material fundamental en la tecnología avanzada, y su gama de aplicaciones continúa expandiéndose.
